河流动力学-C4异重流

11.3.31(5周)四11.4.5(6周)二1第四章异重流本章内容简介2异重流的一般概念异重流的基本方程河渠异重流4.00第四章异重流异重流是挟沙水流的一种特殊运动形式，对河床演变、泥沙运动有重要影响；通常出现水库、盲肠河段(挖入式河港、船闸引航道)等；异重流发现已久，但真正进行研究于20世纪30年代。4.1.1.14.1异重流的一般概念一、异重流的成因xe第四章异重流㈠何为异重流？异重流是两种密度相差不大、可以相混的流体，在条件适宜时因比重差异而产生的在运动过程中不发生全局性紊动掺混的相对运动。4.1.1.24.1异重流的一般概念一、异重流的成因ye第四章异重流㈡异重流的分类⑴按成因及形状分类：•①温差异重流：•②盐水异重流：•③浑水异重流：因温差造床密度差异而引起的异重流；常出现在电站冷却水取水口，如被抽入冷却系统则影响冷却效率。海水入侵河水，因盐水与清水的密度差异而引起的异重流；影响城市供水水库、港池等因浑水与清水的比重差异引起的异重流；常影响库容和航运。4.1.1.24.1异重流的一般概念一、异重流的成因xe第四章异重流㈡异重流的分类⑵按出现位置分类：•①下异重流：•②上异重流：•③中异重流：较重的流体在较轻的流体下面运动；如入库浑水、盐水等异重流较轻的流体在较重的流体上面运动；如温差、入海浑水等异重流较重和较轻的流体之间存在第三种流体运动；如云层运动。4.1.1.34.1异重流的一般概念一、异重流的成因xe第四章异重流㈢浑水异重流的物理本质根本成因：清、浑水的密度差异。隔板实验：可形象说明异常形成的物理本质。光滑隔板将清水与浑水分隔于两侧，因浑水重于清水而产生压力差，且水越深，压力差越大，底部压差最大；当隔板垂直缓慢抽出水面，浑水将从底部q潜入清水，这就是浑水异重流的物理本质。4.1.1.44.1异重流的一般概念一、异重流的成因一第四章异重流㈣浑水异重流对水利建设方面的影响⑴对水库淤积的影响•蚕食有效库容、缩短水库寿命、增加坝体压力•异重流淤积孔隙率大3~5倍，故淤积体积大，蚕食有效库容快；•可掌握异重流运行特征，因势利导排沙，官厅水库因异重流排沙达1/3，对于底坡大的水库，可达到2/3。⑵对航运的影响•港池、船闸为盲肠渠道，常为静水，具有形成异重流的条件，易因异重流入侵淤积而碍航。•例：长江中游青山港建成后4年淤积74万方，口门淤厚10m，中枯水碍航；后每年疏浚，但回淤快，仍有3~4个月枯水碍航。•葛洲坝引航道异重流淤积占绝对部分，但因事先预测而采取了冲沙闸方案4.1.2.14.1异重流的一般概念二、异重流的特性xe第四章异重流㈠异重流的特性Why？异重流与一般流体相比具有三大特性：⑴异重流的重力作用显著减小；⑵异重流的惯性作用相对增强；⑶异重流的阻力作用十分突出。4.1.2.24.1异重流的一般概念二、异重流的特性ye第四章异重流㈡异重流的重力作用显著减小？SSSSsVsVsV1)()1(％仅相差2.6kg/m2.1062kg/m100kg/m62.1000kg/m13333SS⑴异重流密度：特点：含沙量的较大变化仅引起密度的较小改变，且与水的密度差异也不大。微小的比重差异均可形成异重流(长江S=1kg/m3)4.1.2.24.1异重流的一般概念二、异重流的特性ye第四章异重流㈡异重流的重力作用显著减小？⑵异重流的有效重量(水下重量)：SSSgs623.065.2111)(Ss14.1.2.24.1异重流的一般概念二、异重流的特性xe第四章异重流㈡异重流的重力作用显著减小？⑶异重流的有效重力加速度g′：，重力作用显著减小～很小，常＝＝＝（（＝＝称为重力修正系数，－ggSSSSSSsss32331010001.0kg/m6.101.0kg/m16623.01623.0))，重力作用显著减小～很小，常＝＝＝（（＝＝称为重力修正系数，－ggSSSSSSgggggggsss32331010001.0kg/m6.101.0kg/m16623.01623.0)))(，重力作用显著减小～很小，常＝＝＝（（＝＝称为重力修正系数，－ggSSSSSSgggggggsss32331010001.0kg/m6.101.0kg/m16623.01623.0)))(，重力作用显著减小～很小，常＝＝＝－ggSS32331010001.0kg/m6.101.0kg/m16，重力作用显著减小～很小，常＝＝＝－ggSS32331010001.0kg/m6.101.0kg/m16浑水比清水重，为何重力作用还显著减小呢？常规难以理解。同学们可从周围介质进行理解！4.1.2.34.1异重流的一般概念二、异重流的特性xe第四章异重流㈢异重流的惯性作用相对增强？rrrFFhgUhgUF)30~10(1异重流仍为流体,仍可用明渠水流的Fr、Re等参数，仅将g′换为g。由此可见，与同h、V的清水相比，异重流Fr远大于清水。Fr的物理意义：惯性力与重力的相对大小，Fr增大，表明惯性力相对增强。惯性力增强，重力显著减小，表明异重流容易爬高和翻越(图4-2)。4.1.2.44.1异重流的一般概念二、异重流的特性4.1第四章异重流㈣异重流的阻力作用十分突出？UUJRgfJRgfJRgfU)03.0~1.0(888000均匀异重流：此式表明：在相同的f、R、J0的情况下，异重流的U′清水的U，即阻力增大，如要运行长距离，必须有足够的比降J。4.2.1.14.2异重流的基本方程一、异重流的连续方程xe第四章异重流㈠二元非恒定异重流const.00const.0000)()(hVqxqxxqxqtxqxqththqxht＝则＝变化很小，可认为异重流沿程沉淀引起的＝＋二元恒定异重流：＝＋＋＋const.00const.0000)()(hVqxqxxqxqtxqxqththρqxht＝则＝变化很小，可认为异重流沿程沉淀引起的＝＋二元恒定异重流：＝＋＋＋不能删除要随时间和距离变化，因const.00const.0000)()(hVqxqxxqxqtxqxqththqxht＝则＝变化很小，可认为异重流沿程沉淀引起的＝＋二元恒定异重流：＝＋＋＋4.2.1.24.2异重流的基本方程一、异重流连续方程xe第四章异重流㈡二元恒定异重流const.00const.00hUqxqxxqxqt＝则＝变化很小，可认为异重流沿程沉淀引起的＝＋恒定const.00const.0000)()(hVqxqxxqxqtxqxqththqxht＝则＝变化很小，可认为异重流沿程沉淀引起的＝＋二元恒定异重流：＝＋＋＋非恒定：const.00const.00hUqxqxxqxqt＝则＝变化很小，可认为重流沿程沉淀引起的沿程有一定变化，但异虽然＝＋恒定const.00const.00hUqxqxxqxqt＝则＝变化很小，可认为重流沿程沉淀引起的沿程有一定变化，但异虽然＝＋恒定与清水连续方程一样4.2.2.14.2异重流的基本方程二、异重流运动方程xe第四章异重流㈠方程建立基础⑴二元恒定流⑵上面清水静止⑶清水水面水平4.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程ye第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程hgUhzH220断面的总水头：?dxdhdxUdgUdxhddxdzdxHd0沿程求导：dxhdhUdxUddxhdUdxUdhhU0const.连续方程：dxdzdxhddxdhdxdhdxhddxdzhhz0000.const水面为水平清水为静水?4.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程ye第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程dxdhdxUdgUdxhddxdzdxHd0dxhdhUdxUddxdzdxhddxdh00200200000)1(111JdxhdhgVJJJdxhdhgVJJJdxhddxhdhVgVdxhdJJdxdzJdxHdJeeee整理以上各式，得河底底坡：异重流能坡：00JdxhddxhdhUgUdxhdJJe整理以上各式，得4.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程ye第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程020020)1(111JdxhdhgUJJJdxhdhgUJJee00JdxhddxhdhUgUdxhdJJehgUJJhgUJJdxhdee2020114.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程ye第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程hgUJJdxhde20112022211,1rerFJJdxhdhgUhgUFgg＝，又因为通常2022211,1rerFJJdxhdhgUhgUFgg＝，又因为通常4.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程ye第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程2022211,1rerFJJdxhdhgUhgUFgg＝，又因为通常errrrrreeJJFfJFFfJdxhdFFfJdxhdFfhgUfJhgUfJ1080180188818020220220222＝或＝对于均匀异重流：又errrrrreeJJFfJFFfJdxhdFFfJdxhdFfhgUfJhgUfJ10